CN112505069A - 一种提高微波测量废纸包水分精度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种提高微波测量废纸包水分精度的装置及方法，至少包括检测单元和控制终端，检测单元至少包括收发信机、通信控制模块以及微波转换模块，收发信机包括发射机和接收机，发射机至少包括三个频率通道，待测纸包设置在发射机与接收机之间，通信控制模块与控制终端通信，微波转换模块根据通信控制模块的指令控制通道切换；接收机与发射机配合进行检波与鉴相并输出各个通道的功率衰减值和相位变化值，控制终端根据接收到的各个通道的功率衰减值和相位变化值，得到被测纸包的水分值；本公开采用多频对射方式，结合能量衰减和相位变化，通过智能算法对多频测量结果进行融合，实现了对纸包水分测量的更高精度的测量。

Description

一种提高微波测量废纸包水分精度的装置及方法

技术领域

本公开涉及纸包水分测量技术领域，特别涉及一种提高微波测量废纸包水分精度的装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

废纸回收再利用是全球纸页最重要的原料来源，废纸回收的结算成本是造纸业、废纸回收行业最主要的生产成本。因此废纸的含水量是最重要的结算指标之一，也是贸易双方争议最多、漏洞最多的环节。

本公开发明人发现，传统的废纸包水分测量方法包括烘干称重法、红外插针法和2.4GHz微波测量法。烘干称重法测量精度高，但烘箱设备要求高、耗电多、耗时长；红外插针法可快速得到水分值，但只测量了局部，无法代表全局，并且因纸包包扎紧密，仪器插针容易折断。

2.4GHz微波测量法克服了上述问题，不用拆包，测量速度快，可取得纸包的平均水分，但该种测量方法只考虑了微波信号经过含水纸包后的能量衰减值，未考虑相位变化；测量受纸包的压实程度、微波天线与纸包距离、外部温湿度等环境因素影响较大，精度偏低，一般在5％左右，无法达到测量要求。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种提高微波测量废纸包水分精度的装置及方法，采用多频对射方式，结合能量衰减和相位变化，通过智能算法对多频测量结果进行融合，实现了对纸包水分测量的更高精度的测量。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

本公开第一方面提供了一种提高微波测量废纸包水分精度的装置。

一种提高微波测量废纸包水分精度的装置，至少包括检测单元和控制终端；

检测单元至少包括收发信机、通信控制模块以及微波转换模块，收发信机包括发射机和接收机，发射机至少包括三个频率通道，待测纸包设置在发射机与接收机之间，通信控制模块与控制终端通信，微波转换模块根据通信控制模块的指令控制通道切换；

接收机与发射机配合进行检波与鉴相并输出各个通道的功率衰减值和相位变化值，控制终端根据接收到的各个通道的功率衰减值和相位变化值，得到被测纸包的水分值。

作为可能的一些实现方式，所述发射机包括三个通道，分别对应1GHz、2GHz和3Ghz三个频率。

作为可能的一些实现方式，还包括接收天线、发射天线和馈线，接收天线和发射天线分别通过馈线与发射机和接收机连接。

作为进一步的限定，接收天线和发射天线均为无源平板天线，两者参数完全一致。

作为进一步的限定，接收天线和发射天线均的频率范围为800M～3.5GHz，水平及垂直方向角均小于20°。

作为进一步的限定，发射机通过微波开关连接三副天线，根据控制终端的指令以预设速度进行循环通道切换，每个通道分别发射不同频率信号。

作为可能的一些实现方式，还包括与控制终端通信的显示模块，被配置为实时显示被测纸包水分值和/或工作状态。

本公开第二方面提供了一种提高微波测量废纸包水分精度的方法。

一种提高微波测量废纸包水分精度的方法，利用本公开第一方面所述的装置，包括以下步骤：

构建微波能量衰减数据库、微波相位变化数据库、天线平坦度数据库和发射机功率修正数据库；

接收各通道功率衰减与相位变化值，利用基础数据库对接收到的数据进行修正补偿，采用线性回归算法和卷积神经网络算法对三通道数据进行综合，得到当前纸包的水分值。

作为可能的一些实现方式，微波能量衰减数据库和微波相位变化数据库来源于水对1GHz、2GHz与3GHz频率信号的衰减及相移数据，天线平坦度数据库来源于矢量网络分析仪的测量。

作为可能的一些实现方式，采用线性回归算法和卷积神经网络算法对三通道数据进行综合，具体为：

对各通道功率衰减与相位变化值，对照基础数据库中的损耗与相位变化值，进行线性回归算法修正，分别获取三通道的水分测量结果；

然后对既定测量时间段内的各通道水分值按不同的加权系数，输入卷积神经网络***进行综合，获取被测纸包的水分值。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

1、本公开所述的装置及方法，采用多频对射方式，结合能量衰减和相位变化，通过智能算法对多频测量结果进行融合，实现了对纸包水分测量的更高精度的测量。

2、本公开所述的装置及方法，通过设置基础数据库，对测量得到的各个通道的数据进行线性回归修正，极大的提高了各个通道的测量结果的准确性，进而能够得到更加准确的最终测量结果。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例1提供的提高微波测量废纸包水分精度的装置的结构示意图。

图2为本公开实施例1提供的收发信机测量原理图。

图3为本公开实施例1提供的微波收发机原理框图。

图4为本公开实施例1提供的射频接收模块组成框图。

图5为本公开实施例1提供的射频发射模块组成框图。

图6为本公开实施例1提供的提高微波测量废纸包水分精度的方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：

如图1所示，本公开实施例1提供了提高微波测量废纸包水分精度的装置，采用三频对射、检测能量衰减加相位变化，加以智能算法，以提高测量精度。

具体的，包括一对收发信机、一副收发天线、馈线及主控计算机(即控制终端)组成。

所述收发信机由电源、发射机、接收机、通信与控制单元、微波转换单元组成，收发信机工作模式可设置，一对收发信机安装在纸包左右两侧，需同时切换收发模式。

所述电源将220V交流电转换为直流12V，供收发射机、接收机、通信与控制单元、微波转换单元使用。

所述发射机，共有三个通道，分别对应1GHz、2GHz、3Ghz三个频率，其功率和切换间隔可设，设置由上位机控制命令控制，成功后通道自动进行切换。其发射的信号中包括当前通道号及频率、功率值。

所述接收机，可设置频率与频率切换间隔，与另一台收发信机配合，完成检波与鉴相功能，输出各个通道的功率衰减值与相位变化值。

所述通信与控制单元由网络接口、网络传输协议、用户自定义协议及控制器组成；使用UDP协议与上位机进行数据与命令传输，控制器接收指令与数据，构成上位机与收发信机之间的通信桥梁。

所述微波转换单元按照控制器输出的指令，控制微波转换开关，进行通道间的切换。

所述收发天线为无源平板天线，其形状、增益等参数完全一致，可相互替换。频率范围从800M～3.5GHz，水平及垂直方向角均小于20°，以减少电磁波反射、散射对测量的影响。通过矢量网络分析仪测量天线的平坦度曲线，建立天线增益数据库。

所述馈线连接天线与收发信机，实现射频信号的传输，使用稳相电缆，减少相位变化。

所述主控计算机通过网络与收发机相连，机上运行软件包括基础数据库、通信软件与数据处理软件。

基础数据库包括微波能量衰减数据库、微波相位变化数据库、天线平坦度数据库和发射机功率修正数据库。微波能量衰减数据库、微波相位变化数据库来源于水对1G、2G与3GHz频率信号的衰减及相移数据，天线平坦度数据库来源于矢量网络分析仪的测量。

通信软件发送指令给收发信机，同步收发信机的工作时间，控制通道切换时机，***启停控制以及。接收各通道功率衰减与相位变化值。交由数据处理软件处理。

数据处理软件对接收到各通道功率损耗值和相位变化值，利用基础数据库进行修正补偿，采用线性回归及神经卷积等算法对三通道数据进行综合智能分析，给出当前纸包的水分值。

更详细的，包括以下内容：

(1)收发信机

利用微波透射及水对微波特定频段的衰减特性，工业上常用微波对物料水分(如废纸、粮食、烟丝等)进行测量。测量原理如图2所示。

微波发射机发射微波功率信号，经物料吸收衰减后由接收机接收功率值，用于作为测量物料水分的关键参数。

微波收发机集发射机与接收机于一体，工作模式可设，发射机通过微波开关控制连接三副天线，以不大于10ms(可设定)的速度进行循环通道切换，每个通道分别发射不同频率信号(可以是载波也可加调制)，连接不同频率的天线。对发射数据进行编码，编码信息中携带通道号、频率值、时间标识，发射功率值和发射帧序号等数据。

接收机三个输入端口分别对应接收三个发射天线的发射信号(收发机应同步切换通道，以确保收发天线相对应)，从中检波测量出接收功率值，输出相对时间、通道号、频率、功率衰减值等信息。接收机检波接收输出的能量应采用技术措施确保接收的是天线的主瓣信号,减少绕射或反射信号的干扰。

两收发机构成一个***，收发机单工方式工作，发射、接收模式可由程序进行设置。

预留功率检测口，可进行微波功率校准测量。

微波收发机主要功能包括：

1)任意一台设备均可通过设置作为发射机或接收机使用；2)连接天线可构成一套完整的微波收发***；3)发射功率，频率，切换时间等参数可调；启动、停止可控；4)编码输出相对时间、通道号、频率、发射功率值、接收功率或衰减值、帧序号等信息；5)三通道输入输出；6)具有功率测量接口，可进行微波功率校准测量；7)具有工作状态指示功能。

(2)设备主要技术要求及指标(或参数)

a)工作环境

工作温度:-40℃-70℃；相对湿度:5％-90％；安装位置500米以外不能与移动信号塔有相互影响；防水等级：IP67。

b)频率指标

工作频率范围800MHz～3.5GHz，发射频点可设，频率设置间隔≯10Mhz；通道1：800MHz～1500MHz；通道2：1500MHz～2500MHz；通道3：2500MHz～3500MHz。

c)输出功率：≮33±3dBm。

d)供电：12V，功耗≯20w。

e)通道切换时间：≤10ms(默认10ms,可设置)。

f)接收端口最大输入范围：≮10dbm。

g)接收灵敏度：-126dBm。

h)通信接口：以太网，UDP，接插件应选用质量可靠的快卸防水器件。

j)射频接口：N型母头。

k)通信协议：参考附件1：通信协议(暂定)。

l)输出要求：应能编码输出相对时间、通道号、频率、发射功率、接收功率或衰减值、帧序号等信息。

m)自检要求：设备应具有板卡、软件功能自检测功能。

n)尺寸与重量：外形尺寸：≯200×150×80mm；重量：≯2kg。

微波收发机原理框图如图3所示，按照功能模块划分，主要由6部分组成：

1)对外接口模块：提供1路RS232和1路网口对外通讯接口。

2)数据处理模块：主要完成射频数字滤波、成型、调制解调以及基带的编译码。

3)射频接收通道：完成微波射频信号滤波、放大以及变频接收。

4)射频发射通道：完成微波射频信号变频、滤波以及放大。

5)时钟产生模块：提供射频接收、发射通道固定本振及可变本振时钟源。

6)电源模块：提供板上有源器件供电。

(1.1)接收机

如图4所示，收射频信号由模块的射频口进到低通滤波单元对输入信号进行滤波，滤除高端干扰，再经过低噪声放大器进行信号放大，经9选1开关送入带通滤波器进行预选滤波，滤波完成后进入第一级混频器产生375MHz的一中频。经一中频放大器放大后送入375Mhz声表滤波器进行滤波，再经过可变衰减器后进入二级混频器，与固定本振混频产生25MHz的二中频，经过两级中频放大器及声表滤波器滤波后，送入中频可变增益放大器，送入ADC进行模数转换，送给后级FPGA进行数据信号处理。

(1.2)发射机

如图5所示，将数据处理单元送到DAC进行数模转换，产生25MHz的二中频模拟信号，经过重建滤波器滤除镜像频率并放大后，与二本振信号混频，产生375MHz一中频信号。一中频信号放大、滤波后经过可变衰减器送入一本振，混频产生1～5G射频信号，再通过低通滤波器滤波放大后送入带通滤波器组，滤除混频产物，再经过功率放大器放大，低通滤波器滤除谐波后，经过隔离器隔离天线反射，再经过3选一开关送入天线发射。

主要器件选型：

DAC：AD9957，14bit，1Gbps；重建滤波器：5阶椭圆函数低通滤波器，3dB带宽：25MHz，截止频率50MHz。

(2)天线

(2.1)发射：

平板天线：1副；带宽：4GHz；垂直角度：10～20°；水平角度：＜10°；Gain：＞10dBi；250mm*200mm*150mm(宽*长*高)。

(2.2)接收：

平板天线：1副；垂直角度：10～20°；水平角度：＜10°；Gain：＞10dB。

具体的纸包水分测试方法，如图6所示。

主控计算机软件主要包括四个模块：控制模块、数据接收模块、智能算法模块和可视化模块。

控制模块完成与收发信机的通信，实现收发信机的通道设置、功率频率调整以及启动停止测试、收发机转换测试等功能。

数据接收模块实时接收收发信机工作状态参数以及测试数据，将其输送给智能解算模块进行数据的解算。

智能算法模块对输入各通道数据对照基础数据库中的损耗与相位变化值，进行线性回归算法修正，分别获取三通道测量水分，然后对既定测量时间段内的各通道水分值按不同的加权系数，输入卷积神经网络***进行综合，获取被测纸包的水分值。

可视化模块根据算法输出结果，将纸包水分值及其它工作状态信息直观显示给用户。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种提高微波测量废纸包水分精度的装置，其特征在于，至少包括检测单元和控制终端；

检测单元至少包括收发信机、通信控制模块以及微波转换模块，收发信机包括发射机和接收机，发射机至少包括三个频率通道，待测纸包设置在发射机与接收机之间，通信控制模块与控制终端通信，微波转换模块根据通信控制模块的指令控制通道切换；

接收机与发射机配合进行检波与鉴相并输出各个通道的功率衰减值和相位变化值，控制终端根据接收到的各个通道的功率衰减值和相位变化值，得到被测纸包的水分值。

2.如权利要求1所述的提高微波测量废纸包水分精度的装置，其特征在于，所述发射机包括三个通道，分别对应1GHz、2GHz和3Ghz三个频率。

3.如权利要求1所述的提高微波测量废纸包水分精度的装置，其特征在于，还包括接收天线、发射天线和馈线，接收天线和发射天线分别通过馈线与发射机和接收机连接。

4.如权利要求3所述的提高微波测量废纸包水分精度的装置，其特征在于，接收天线和发射天线均为无源平板天线，两者参数完全一致。

5.如权利要求3所述的提高微波测量废纸包水分精度的装置，其特征在于，接收天线和发射天线均的频率范围为800M～3.5GHz，水平及垂直方向角均小于20°。

6.如权利要求3所述的提高微波测量废纸包水分精度的装置，其特征在于，发射机通过微波开关连接三副天线，根据控制终端的指令以预设速度进行循环通道切换，每个通道分别发射不同频率信号。

7.如权利要求1所述的提高微波测量废纸包水分精度的装置，其特征在于，还包括与控制终端通信的显示模块，被配置为实时显示被测纸包水分值和/或工作状态。

8.一种提高微波测量废纸包水分精度的方法，其特征在于，利用权利要求1-7任一项所述的装置，包括以下步骤：

构建微波能量衰减数据库、微波相位变化数据库、天线平坦度数据库和发射机功率修正数据库；

接收各通道功率衰减与相位变化值，利用基础数据库对接收到的数据进行修正补偿，采用线性回归算法和卷积神经网络算法对三通道数据进行综合，得到当前纸包的水分值。

9.如权利要求8所述的提高微波测量废纸包水分精度的方法，其特征在于，微波能量衰减数据库和微波相位变化数据库来源于水对1GHz、2GHz与3GHz频率信号的衰减及相移数据，天线平坦度数据库来源于矢量网络分析仪的测量。

10.如权利要求8所述的提高微波测量废纸包水分精度的方法，其特征在于，采用线性回归算法和卷积神经网络算法对三通道数据进行综合，具体为：

对各通道功率衰减与相位变化值，对照基础数据库中的损耗与相位变化值，进行线性回归算法修正，分别获取三通道的水分测量结果；

对既定测量时间段内的各通道水分值按不同的加权系数，输入卷积神经网络***进行综合，获取被测纸包的水分值。

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